얕은 기초 설계 기준
1. 일반 사항
(1) 목적
이 기준은 지지력, 침하 등 얕은 기초에서 발생 가능한 파괴에 대한 설계 안정성을 만족시키기 위한 최소한의 설계 요구 조건을 규정합니다.
(2) 적용 범위
이 기준은 기초 폭에 비해 근입 깊이가 얕고 상부 구조물의 하중을 분산시켜 기초 하부 지반에 직접 전달하는 확대 기초, 복합 기초, 연속 기초 및 전면 기초에 적용됩니다.
(3) 참고 기준
- 관련 법규: 내용 없음
- 관련 기준: KDS 11 10 05 지반 설계 일반
(4) 용어의 정의
- 강성 기초: 기초 지반에 비해 기초 판의 강성이 커서 기초 판의 변형을 고려하지 않는 기초. 기초의 변위 및 안정 계산 시 기초 자체의 탄성 변형을 무시할 수 있는 기초.
- 국부 전단 파괴: 기초 지반에 전체적인 활동 파괴면이 발생하지 않고, 지반 응력이 파괴 응력에 도달한 부분에서 국부적으로 전단 파괴가 발생하는 지반의 파괴 형태.
- 극한 지지력: 구조물을 지지할 수 있는 지반의 최대 저항력.
- 복합 기초: 두 개 이상의 기둥으로부터의 하중을 하나의 기초 판을 통하여 지반으로 전달하는 구조체.
- 연성 기초: 지반 강성에 비해 기초 판의 강성이 상대적으로 작아서 지반 반력이 등분포로 작용하는 기초.
- 연속 기초: 벽 아래를 따라 또는 일련의 기둥을 묶어 띠 모양으로 설치하는 기초의 저판에 의하여 상부 구조로부터 받는 하중을 지반에 전달하는 형식의 기초.
- 전면 기초: 상부 구조물의 여러 개의 기둥 또는 내력 벽체를 하나의 넓은 슬래브로 지지하는 기초 형식.
- 전반 전단 파괴: 기초 지반 전체에 걸쳐 뚜렷한 전단 파괴면을 형성하는 지반의 파괴 형태.
- 줄기초: 벽체를 지중으로 연장한 기초로서 길이 방향으로 긴 기초.
- 즉시 침하 (탄성 침하): 지반에 하중이 작용함과 동시에 발생하는 (탄성) 침하.
- 허용 지지력: 지반의 극한 지지력을 적정의 안전율로 나눈 값과 허용 변위량으로부터 정하여진 지지력 중 작은 값.
- 확대 기초: 상부 구조물의 기둥 또는 벽체를 지지하면서 그 하중을 말뚝이나 지반에 전달하는 기초 형식.
(5) 기호의 정의: 내용 없음.
(6) 검토 사항
- 얕은 기초의 설계는 다음 사항을 검토하여 결정합니다.
- 기초 지반이 전단 파괴에 대해 안전하도록 합니다.
- 과도한 침하나 부등 침하가 발생하지 않도록 합니다.
- 기초가 경사진 지반에 설치될 경우 기초 하중에 의한 비탈면 활동 및 지지력의 감소가 발생하지 않도록 합니다.
- 인접한 구조물에 침하, 균열, 손상 등이 발생하지 않아야 합니다.
(7) 작용 하중의 구분
- 기초 구조물에 작용하는 하중은 그 지속 시간에 따라 지속 하중과 일시 하중으로 구분합니다.
- 지속 하중은 구조물 자중, 지속적으로 작용하는 토압 및 수압 (침투압 포함) 등을 포함하고, 일시 하중은 변화가 가능한 토압, 수압, 빙압 등을 포함합니다.
- 지하수위 변화를 포함하여 시공 중 또는 공용 중에 발생, 변화하는 하중은 지속 시간에 따라 지속 하중 또는 일시 하중으로 구분합니다.
(8) 지지력 및 침하량 계산 시 고려 사항
- 기초의 지지력 및 침하량 계산 시, 기초 구조물 상부에 작용하는 연직 하중, 기초 구조물의 자중, 기초 구조물 바닥면에 작용하는 수압, 수평 하중, 측벽의 수동 토압 및 수압 등을 고려합니다.
- 기초의 측면 저항은 기초의 측면과 흙 사이에 작용하는 마찰에 의한 저항을 말하며, 얕은 기초의 근입 깊이 (d)와 최소 폭 (B)의 비가 1.0 미만 (d/B < 1.0)인 경우, 측면 저항이 기초 저면의 지지력에 비해 작기 때문에 측면 저항을 고려하지 않습니다.
- 대형 안벽 및 방파제 등의 구조물에서는 반복 하중에 의한 잔류 변위가 누적될 수 있으므로 침하에 대한 검토를 해야 합니다.
- 지하수위의 결정에 신중을 기해야 하며, 연안과 하천 및 해수면 수위의 변화에 민감한 지역에서는 특히 기후 변화에 의한 지하수위 변동을 고려해야 합니다.
(9) 기초의 안정성 평가 항목
- 기초의 안정성 평가를 위해서는 기초 지반의 전단 파괴, 기초 및 구조물의 침하, 전도, 활동, 비탈면 파괴 (overall stability) 및 기초 본체의 안정성에 대해 검토해야 하며, 각 검토 항목과 구조물에 따라 규정된 허용 기준을 만족해야 합니다.
- 기초의 폭, 근입 깊이, 지반의 전단 강도, 하중의 경사, 편심, 지하수위 등을 고려하여 지반의 전단 파괴에 대한 안정성을 검토합니다.
- 기초 지반에 과도한 침하나 부등 침하가 발생하여 구조물이 손상되지 않도록 침하에 대한 안정성을 확보합니다. 특히, 응력 전이, 불균등한 지층 상태, 불균질한 지반 상태, 불규칙한 기초 형상, 부적절한 근입 깊이, 편심 또는 경사 하중 등에 의한 영향을 검토합니다.
- 기초에 가해진 하중에 의하여 기초와 구조물이 전도되지 않도록 안정성을 확보합니다.
- 기초의 바닥에서 활동이 일어나지 않도록 안정성을 확보합니다. 활동에 대한 안전성 검토 시 지반의 수동 저항이 발현될 것으로 판단될 경우에는 이를 반영할 수 있습니다. 다만 수동 저항이 발휘되기 위해서는 주동 변위의 2~20배의 변위가 발생해야 하므로 수동 저항을 전부 보는 것에 주의가 요구됩니다. 한편으로 기초 바닥에 근접하여 연약 지층이 있을 경우에는 연약층을 따라 활동면의 발생 가능성을 검토합니다.
- 기초 본체의 설계는 콘크리트 구조 설계 기준에서 정하는 바를 따릅니다.
- 기초를 경사진 지반에 계획할 경우에는 작용 하중과 지반의 특성을 고려하여 비탈면 파괴 가능성에 대해서도 검토해야 하며, 경사진 지반 침하량 산정 시 탄성 침하 공식만으로는 불충분하므로 수치 해석 등을 통해 보완하여 검토합니다.
- 기초 지반이 다층 구조인 경우의 지지력에 대한 안정 검토는 원호 활동 해석에 의하는 것을 표준으로 합니다. 이 경우에 있어서 안전율은 지반의 특성 등에 따른 적절한 수치를 적용합니다.
- 매립 지반에 설치하는 기초는 특별히 주의해야 하는데, 기초 하부의 접지 압력은 가급적 균등하게 분포하도록 설계하고, 접지 압력의 분포는 흙 또는 암, 그리고 구조물의 특성에 따라 달라지며, 토질 역학 및 암석 역학적 원리들과 일치해야 합니다.
2. 조사 및 계획
내용 없음.
3. 재료
내용 없음.
4. 설계
4.1 지지력 산정
(1) 지지력 산정을 위한 고려 사항
- 기초 설계 시 시추 조사, 현장 및 실내 시험을 통하여 지반 특성을 파악한 후 지지력을 산정합니다. 그러나 상재 하중이 작은 구조물 또는 가설 구조물의 기초는 인근 구조물의 경험 값, 기초 설계 및 시공성과, 현장 시험 자료를 통하여 지지력을 추정할 수 있습니다.
(2) 허용 지지력
- 얕은 기초의 허용 지지력은 지반의 극한 지지력을 적정의 안전율로 나눈 값과 허용 변위량으로부터 정하여진 지지력 중 작은 값으로 결정합니다.
(3) 이론적 극한 지지력
- 이론적 극한 지지력은 지반 조건, 하중 조건 (경사 하중, 편심 하중), 기초 크기 및 형상, 근입 깊이, 지반 경사, 지하수위 영향 등을 고려하여 산정하며, 지지력 계산 방법에 따라 서로 다른 지지력이 계산될 경우에는 설계자의 판단에 의하여 지지력을 결정합니다.
- 구조물의 하중이 기초의 형상 도심에 연직으로 작용하고 지반의 각 지층이 균질하며 기초의 근입 깊이가 기초의 폭보다 작고 기초 바닥이 수평이며 기초를 강체로 간주할 수 있을 경우에는 기존의 이론식으로 연직 지지력을 구합니다.
- 위의 경우를 제외하고 소성 이론에 의한 계산 결과나 재하 시험 또는 모형 실험의 결과를 이용하여 지지력을 구할 수 있습니다.
- 기초의 영향 범위 내에 여러 지층이 포함된 경우 이러한 층상의 영향을 고려하여 지지력을 산정합니다.
(4) 경험적 지지력
- 경험적 지지력이란 경험에 의해 제시된 지지력 공식을 이용하거나, 직접적인 계산이나 시험을 통하지 않고 각종 문헌이나 기준에 제시된 허용 지지력 범위나 추천 값을 인용하여 지지력을 추정하는 방법입니다.
- 경험적인 지지력 산정 방법은 다음 조건을 충족하는 경우 적용합니다.
- 기초 바닥면 이하의 지반이 기초 폭의 2배까지 거의 균질한 경우
- 지표와 지층 경계면이 거의 수평인 경우
- 기초의 크기가 큰 경우
- 규칙적인 동하중을 받지 않는 경우
- 개략적인 지지력 예측이 필요한 경우
- 정밀한 조사가 불가능한 경우
- 경험적인 지지력 공식은 신중하게 적용해야 하며, 불가피하게 외국의 경험적 지지력 공식을 적용할 때에는 적용성을 확인한 후 사용합니다.
- 경험적 지지력 산정 방법에 의해 도출된 지지력은 기초의 크기, 근입 깊이, 지하수위 등에 따라 수정하여 적용합니다.
(5) 현장 시험에 의한 지지력 산정
- 현장 시험으로부터 다음과 같이 지반의 지지력을 산정할 수 있으며, 허용 지지력은 지반 상태, 경계 조건, 시험 특성 등을 고려하여 결정합니다.
- 기초 지반에 대한 평판 재하 시험에서 얻은 하중-침하량 곡선으로부터 허용 지지력을 구하고, 기초의 크기 효과를 고려하여 설계 지지력을 산정합니다.
- 표준 관입 시험의 결과를 이용하여 기초의 허용 지지력을 산정할 수 있는데, 이때 시추기 해머의 에너지 효율에 대해 보정한 N값을 사용해야 하며, 필요에 따라 롯드 길이, 시추공 크기, 유효 상재 하중 등에 대해 N값을 보정하여 적용합니다.
- 콘 관입 시험 결과로부터 기초의 허용 지지력을 추정할 수 있으며, 조밀한 지반이나 자갈이 섞여있는 지반에서는 주의하여 적용합니다.
- 점토 지반에서는 현장 베인 시험 결과로부터 지반의 비배수 전단 강도를 구하고, 이를 보정하여 기초의 지지력을 추정할 수 있습니다.
- 공내 재하 시험 (프레셔미터 시험) 결과로부터 기초의 허용 지지력을 추정할 수 있으며, 다른 종류의 현장 시험이 어려운 모래, 자갈, 풍화토, 풍화암 등에 적용할 수 있습니다.
(6) 암반에서의 지지력 산정
- 암반에서 기초를 설계할 때에는 암석의 강도, 불연속면의 간격 및 방향, 불연속면의 틈새, RQD, 풍화 정도, 충전 물질, 지하수 등을 고려하여 암반의 지지력을 산정합니다.
- 강도가 크고 불연속면의 간격이 넓으며 틈새가 작은 암반일 경우에는 양호한 암반으로 판정하고 기초의 지지력을 산정합니다.
- 강도가 작고 불연속면의 간격이 매우 좁으며 풍화 상태가 심하거나 세편 상태인 암반은 불량한 암반으로 판정하고 기초의 지지력을 산정합니다.
- 암반의 상태를 정량적으로 등급화하고, 그에 따라 등급별로 암반의 극한 지지력을 정하여 기초를 설계할 수 있습니다.
- 암반 판정이 모호한 경우, 지질학적으로 해명이 안 되는 경우, 암석이 심하게 교란된 경우, 절리나 층리가 지표의 경사와 유사한 경우, 암의 표면이 30° 이상 경사진 경우에는 암반의 지지력 결정에 유의해야 합니다.
(7) 수평 지지력
- 얕은 기초의 허용 수평 지지력은 기초 저면의 전단 저항력을 적정 안전율로 나눈 값으로 하나, 지표면 근처에서 안정된 지지층을 확보할 수 있는 경우에는 기초 전면에 작용하는 수동 토압을 안전율로 나눈 값을 적용하여 허용 수평 지지력으로 고려할 수 있습니다. 다만, 수동 토압이 발휘되기 위해서는 주동 변위의 2~20배가 발생해야 하므로 수동 토압을 전부 보는 것에 주의가 요구됩니다.
- 기초 저면에 있어서 전단 저항력이 부족할 경우에는 활동 방지벽을 설치하여 전단 저항력을 증가시킬 수 있습니다. 활동 방지벽을 설치한 경우의 전단 저항력은 기초 저면이 아니라 활동 방지벽의 선단을 통하는 기초 저면과 평행한 면을 따라 전단 저항력을 산출하며, 이 전단면을 가상의 기초 저면으로 합니다.
4.2 침하량 산정
(1) 얕은 기초의 침하량
- 얕은 기초의 침하량은 즉시 침하량, 일차 압밀 침하량, 이차 압축 침하량을 합한 것을 말하며, 기초 하중에 의해 발생된 지중 응력의 증가량이 초기 응력에 비해 상대적으로 작지 않은 영향 깊이 내 지반을 대상으로 침하량을 계산하고, 쌓기층에 놓이는 구조물은 쌓기층 자체의 장기 침하량 (creep 침하)을 고려해야 합니다.
- 계획하는 구조물의 얕은 기초로 인한 인접한 기존 구조물에서의 침하, 전달 하중 및 시공 중 지하수위 변화 등에 의한 영향을 고려해야 합니다.
(2) 지중 응력 증가량
- 기초에 작용하는 하중에 의해 지반 내에 발생되는 지중 응력의 증가량은 지반이 균질하고 등방성인 탄성체라고 가정하고, 기초 형상과 하중의 분포 형태에 따라 제시된 계산식 (Boussinesq 식 등)을 적용하여 구합니다. 그러나 이 경우 다음과 같은 사항에 주의해야 합니다.
- 지반이 선형 탄성적으로 변형되는 하중 범위 내에서는 비교적 잘 적용될 수 있으나, 파괴 직전 하중에서는 계산 결과가 실제값과 많은 오차를 보일 수 있습니다.
- 층상 지반 또는 서로 인접한 지층의 강도가 큰 차이를 나타내는 경우, 계산 결과가 실제와 상이할 수 있으므로 지층의 성상을 고려하여 지중 응력의 증가량을 구합니다.
(3) 즉시 침하량
- 기초 하중에 의한 지반의 즉시 침하량은 기초의 강성과 형상 및 지반의 특성을 고려하여 다음과 같이 산정합니다.
- 지반을 단위 면적의 흙 기둥으로 간주하고 탄성 이론으로 기초의 즉시 침하를 계산합니다.
- 평판 재하 시험을 실시하여 구한 재하 판의 하중-침하량 관계로부터 지층의 구성과 지반의 종류를 고려하여 실제 기초의 침하량을 추정합니다. 평판 재하 시험의 결과 값은 크기 효과 등의 원인으로 인해 지층 전체의 변형 특성을 대표할 수 없으므로 유의하여 사용합니다.
- 공내 재하 시험 (프레셔미터 시험) 결과로부터 기초의 침하량을 검토할 수 있으며, 다른 종류의 현장 시험이 어려운 모래, 자갈, 풍화토, 풍화암 등에 적용할 수 있습니다.
(4) 일차 압밀 침하
- 일차 압밀 침하량은 지반의 압축 특성, 유효 응력 변화, 지반의 투수성, 경계 조건 등을 고려하여 계산하며, 압밀층이 두꺼울 경우에는 지반을 여러 개의 수평 지층으로 나누고, 각 층에 대해 기초 하중에 의한 응력 증가량을 적용하여 다음과 같이 침하량을 산정합니다.
- 일차 압밀에 의한 최종 침하량은 압밀 시험을 실시해서 구한 압축 지수나 체적 변화 계수 등을 적용하여 계산하며, 정규 압밀 상태와 과압밀 상태로 구분하여 계산합니다.
- 일차 압밀이 종료되기 전 압밀 진행 정도 (압밀도)에 따른 압밀 침하 속도는 시간-침하량 관계로부터 구합니다.
(5) 이차 압축 침하량
- 이차 압축 침하량은 일차 압밀 침하 완료 후의 시간-침하량 관계 곡선의 기울기를 적용하여 계산합니다.
(6) 허용 침하량
- 허용 침하량은 균등 침하, 부등 침하, 각 변위 (경사도) 등으로 규정할 수 있으며, 구조물의 종류, 형태, 기능에 따라 별도로 정합니다. 별도의 기준이 없는 경우에는 국제적으로 통용되는 기준을 준용할 수 있습니다.
(7) 침하량 검토
- 사용 하중 상태에서 침하 속도 및 침하량이 예측 값과 부합되는지를 판단하고 대책이 요구되는 경우, 구조물 준공 후 일정 기간 동안 침하를 관측합니다.
5. 전면 기초
(1) 일반 사항
- 전면 기초는 여러 개의 기둥들을 지지하는 커다란 콘크리트 슬래브이며, 근입 깊이는 건물 외측을 기준으로 하고 합력의 작용 위치는 각각 기둥들의 위치와 작용 하중의 크기에 따라 결정합니다.
(2) 전면 기초의 허용 지지력
- 전면 기초의 허용 지지력은 상부 구조-기초 판-지반의 상대적 거동을 고려하여 강성 법, 연성 법, 혼합 법, 수치 해석 법 등으로 구할 수 있으며, 계산 방법의 선택과 그 결과의 활용은 설계자의 판단에 따릅니다. 전면 기초는 하부 지반에 국부적으로 존재하는 연약 지층 등의 특성보다는 지반의 전체적인 특성을 적용하여 침하를 계산해야 하며, 전체 침하와 부등 침하가 과도하게 발생하지 않아야 합니다.
(3) 전면 기초의 침하
- 전면 기초의 침하는 지반과 상부 구조물의 강성에 따라서 기둥의 위치별로 다르게 발생할 수 있으며, 이로 인해 상부 구조물 및 기초 판에 손상이 발생하는지 여부를 검토합니다.
(4) 말뚝 지지 전면 기초
- 말뚝 지지 전면 기초 (piled raft foundation)는 전면 기초와 말뚝 기초가 복합적으로 상부 구조물을 지지하는 기초 형식으로서 전면 기초-지반-말뚝의 상호 작용을 고려하여 설계해야 하고, 말뚝 체 및 말뚝 머리 접합부 등의 관련 부분에 대한 설계 요구 조건을 동시에 만족해야 합니다.